...

Desain Sensor Kecepatan Angin Dengan Kontrol Adaptif Untuk

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

Desain Sensor Kecepatan Angin Dengan Kontrol Adaptif Untuk
Desain Sensor Kecepatan Angin Dengan Kontrol
Adaptif Untuk Anemometer Tipe Thermal
Muhamad Yusuf #1) , Alrijadjis #2), Legowo #3)
#
Department of Electrical Engineering, Faculty of Electronics Engineering Polytechnic Institut of Surabaya
ITS Surabaya Indonesia 60111
1) [email protected], 2) [email protected], 3) [email protected]
Abstrak —Anemometer merupakan alat ukur kecepatan angin yang sering digunakan oleh BMKG, untuk
mengukur kecepatan angin. Salah satu jenis anemometer adalah thermal anemometer yang pernah dibuat oleh arif
harianto (2005) menggunakan diode yang diseri dengan heater, konfigurasi ini tidak memperhatikan pengaruh suhu angin
dalam proses pengukuran (type CTA). Kelemahan alat ini suhu angin sangat mempengaruhi proses pengukuran
kecepatan angin juga mempunyai batas ukur yang rendah. Permasalahan tersebut diatasi dengan menggunakan dua buah
sensor suhu LM 35. Sensor yang pertama untuk mengukur kecepatan angin dan yang kedua sebagai kompensator
temperatur sekitar, sehingga alat tersebut dapat beradaptasi terhadap perubahan temperature lingkungan. Batas
maksimal pengukuran system ini adalah 6,9m/s karena keterbatasannya sumber angin yang tersedia. Sedangkan untuk
meningkatkan respon time system pada saat pengukuran digunakan Proposional Integral (PI) controller. Tanpa
controller (open Loop) pendekatan hasil pengukuran baru dapat diketahui setelah 50 detik, dengan menggunakan PI
controller setelah 15 detik pendekatan hasil pengukuran sudah bisa diketahui. Pemrosesan data dilakukan oleh
mikrokontroller ATmega 16. Hasil pengukuran pada alat ini ditampilkan dalam LCD karakter.
Kata kunci: Thermal Anemometer, sensor suhu LM35, ATmega 16, PI controller
I. Pendahuluan
Anemometer adalah sebuah perangkat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin,
merupakan salah satu instrumen yang sering digunakan oleh balai cuaca seperti Badan Metereologi
Klimatologi dan Geofisika (BMKG). Kata anemometer berasal dari Yunani anemos, yang berarti angin.
Anemometer ini pertama kali diperkenalkan oleh Leon Battista Alberti dari Italia pada tahun 1450. Secara
umum ada dua jenis anemometer, yaitu anemometer yang mengukur kecepatan angin (velocity anemometer)
dan anemometer yang mengukur tekanan angin (anemometer tekanan). Dari kedua type anemometer ini
velocity anemometer lebih banyak digunakan. Salah satu jenis dari velocity anemometer adalah thermal
anemometer lebih dikenal dengan hot wire anemometer yaitu anemometer yang mengkonversi perubahan
suhu menjadi kecepatan angin. Hot wire anemometer menggunakan kawat yang sangat kecil dialiri panas
hingga suhu di atas temperatur Ambient. Bila ada udara / angin yang mengalir melewati kawat maka akan
terjadi efek pendinginan pada kawat, perubahan temperatur dari kawat sebagai indikasi perubahan dari
kecepatan angin yang diukur.
Anemometer type thermal ini pernah dibuat menggunakan diode seri dipanaskan oleh heater,
sehingga terjadi perubahan karakteristik tegangan dan arus. Aliran angin mengakibatkan proses
pendinginan, sehingga tegangan diode kembali naik maka diperoleh hubungan kecepatan angin dan
tegangan diode. Anemometer yang pernah dibuat ini memiliki beberapa kekurangan yaitu setelah beberapa
kali pemakaian, diode harus diganti karena mudah rusak, diode yang dipakai adalah diode rectifier, bukan
diode untuk pengukur suhu. Batas ukur maksimal adalah 6 m/s. Anemometer yang dibuat juga tidak
memperhatikan pengaruh suhu angin termasuk tipe Constant Temperature Anemometry/CTA (Yoshihito
Shimada, 2003 dan Arif Harianto, 2005)
Dari berbagai kekurangan diatas maka pada Proyek Akhir ini akan dibuat thermal anemometer
menggunakan dua buah sensor suhu LM35. Konfigurasi baru yang akan dibuat menggunakan dua sensor
suhu LM35 dan heater untuk mendapatkan sensor velocity yang handal dan memenuhi/meningkatkan batas
ukur sensor, linearity dan respon time system. Dengan menerapkan skema adaptive controller untuk
mengatasi perubahan karakteristik sistem akibat pengaruh suhu angin. Diharapkan anemometer dengan
konfigurasi baru ini dapat mengatasi permasalahan dari anemometer yang pernah dibuat sebelumnya.
II. Dasar Teori
A. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur arah dan kecepatan angin. Satuan
meteorologi dari kecepatan angin adalah Knots (Skala Beaufort) umumnya satuan yang digunakan adalah
meter per detik (m/s). Sedangkan satuan meteorologi dari arah angin adalah 00 - 3600 . Posisi 00 menunjukkan
arah utara.
Salah satu jenis anemometer adalah thermal anemometer. Pada anemometer type ini terdapat sebuah
sensor suhu, cara kerja dari sensor ini berdasarkan pada jumlah panas yang hilang secara konvektif dari
sensor ke lingkungan sekeliling sensor. Besarnya panas yang dipindahkan dari sensor secara langsung
berhubungan dengan kecepatan fluida yang melewati sensor. Jika hanya kecepatan fluida yang berubah,
maka panas yang hilang bisa diinterpretasikan sebagai kecepatan fluida (angin) tersebut
B. Penguat Inverting
Sebuah penguat menerima arus atau tegangan kecil pada input dan menjadikan arus atau tegangan
lebih besar pada outputnya. Penguat Op-Amp memiliki penguatan yang relatif linier outputnya dikendalikan
sebagai fungsi input.
 Rf 
Vout = −
 * Vin
 Ri 
................(1)
Rf
+Vcc
Vin
Ri
Vout
+
- Vcc
Gambar 1. Rangkaian penguat inverting
C. Rangkaian Mechanisme Adjusment
Rangkaian ini digunakan untuk menyamakan keluaran dari sensor dua agar sama dengan sensor satu
pada saat tidak ada angin yang berhembus. Rangkaian ini terdiri dari dua buah Op-Amp yang dipakai
sebagai penguat inverting. Salah satu penguatan pada Op-Amp bisa diatur nilai penguatannya
menggunakan variabel resistor untuk mechanism adjustment.
D. Rangkaian Pengkondisian Sinyal
Rangkaian pengkondisian sinyal ini terdiri dari Op-Amp sebagai komponen utamanya.
R1
+Vcc
-
V1
R2
output
+
V2
- Vcc
R2
R1
Gambar 2 Rangkaian Pengkondisian sinyal
Op-Amp pada rangkaian ni difungsikan sebagai penguat diferensial yaitu kedua input dari Op-Amp
digunakan, keluaran dari rangkaian ini merupakan selisih dari kedua input pada Op-Amp yaitu input
Inverting (-) dan input non Inverting (+).
E. Mikrokontroller ATMega 16
Mikrokontroller AVR (Alf and Vegard’s Risc Processor) standar memiliki arsitektur 8 bit, dimana
semua instruktsi dikemas dalam kode 16 bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock.
AVR ini berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing).
Didalam mikrokontroller ATMega 16 sudah terdiri dari :
1 Saluran I/O ada 32 buah, yaitu PORT A, PORT B, PORT C, dan PORT D.
2 ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 channel.
3 Tiga buah timer / counter, dua buah 8 bit dan satu 16 bit.
4 Watchdog Timer dengan osilator internal.
5 Dan lain-lain.
F. Proposional Integral Controller
Aksi pengontrolan proporsional-integral (PI) adalah aksi pengontrolan hasil kombinasi dari aksi
pengontrolan proporsional (P) dan aksi pengontrolan integral (I). Bentuk matematis dari pengontrolan ini
merupakan kombinasi penambahan persamaan pengontrolan dari aksi pengontrolan P dan aksi pengontrolan
I.
Kp
Ki =
Ti
Kp t
u(t ) = Kp * e(t ) +
* e( t) dt
Ti ∫ 0
…… (3)
Kp adalah penguatan proporsional, dan Ti adalah waktu integral. Kedua parameter ini dapat diset
harganya. Waktu integral mengatur aksi pengontrolan integral namun pengubahan penguatan proporsional
mempengaruhi kedua bagian aksi pengontrolan, yakni bagian proporsional dan bagian integral.
G. LCD Karakter
Liquid Crystal Display adalah salah satu jenis display/layar yang banyak digunakan dalam aplikasi
yang berbasis mikrokontroler. Ada dua macam jenis LCD, yakni :
1. Text LCD, yakni LCD yang hanya mampu menampilkan text baik angka ataupun karakter. Pada bebarapa
karakter khusus, Text LCD tidak mampu menampilkan.
2. Grafik LCD, yakni LCD yang mampu menampilkan grafik, icon, dan gambar bitmap, disamping juga
mampu menampilkan text layaknya Text LCD.
III. METODOLOGI
Metode atau sistem desain yang digunakan dalam melakukan proyek akhir ini meliputi :
A. Studi Literatur
Mencari referensi untuk mendapatkan informasi mengenai sistem ini, terutama tentang anemometer,
controller, mikrokontroller, dan sensor suhu.
B. Perancangan Hardware
Melakukan analisa design dan eksperimen untuk mendapatkan rangkaian sensor dengan konfigurasi
baru yang sesuai seperti desain signal conditioning circuit, konfigurasi sensor suhu, desain interface circuit
ke mikrokontroler.
C. Perancangan Software
Membuat program PI controller untuk mempercepat respon time dari hasil pengukuran kemudian
ditampilkan pada display LCD karakter.
.
D. Uji Coba Sistem dan Analisa
Pada tahap ini dilakukan uji coba system yang telah dibuat serta melakukan perbaikan apabila terjadi
kesalahan pada hardware maupun software. Kemudian melakukan Analisa terhadap hasil yang tealh
diperoleh.
IV. Perancangan dan pembuatan
Sebelum membuat system ini, dilakukan perancangan system terlebih dahulu. sistem secara
keseluruhan berdasarkan pada gambar 3.
2
Adjustment
Mechanism
Sensor Suhu
1
Penguat
Kecepatan
Angin
Sensor Suhu
Heater
Pengkodisian
Sinyal
+
Controller
PI
Display
-
Konfigurasi
sensor
Gambar 3 Diagram Block Sytem
Input dari system ini berupa kecepatan angin Kecepatan angin kemudian dikonversi menjadi
perubahan suhu pada sensor suhu LM35. Proposional Integral Controller digunakan untuk mempercepat
respon time pada saat proses pengukuran.
V. Hasil Penelitian
A. Sensor Suhu sebagai Velocity sensor
Sensor suhu harus mempunyai linieritas yang baik agar dapat digunakan secara maksimal. Berikut
adalah grafik dari respon time sensor suhu pada kecepatan angin mencapai maksimum. Kemudian angin
kembali tidak berhembus secara perlahan lahan.
rise time dan fall time sensor suhu
8
7
6
v (m/s)
5
4
3
2
1
0
-1
0
50
100
150
200
250
300
350
t (s)
Gambar 4 Respon time sensor suhu LM35
B. Pengujian PI controller
Untuk mengetahui apakah respon time dari alat ini lebih cepat, maka digunakan PI controller. Karena
respon time dari sensor suhu LM 35 relatif lambat. Proses PI controller ini dilakukan oleh mikrokontroler
ATMega 16. Hasil pengujian system pengukuran dengan PI controller dapat dibandingkan tanpa
menggunakan Controller (open loop).
Gambar 5 Respon PI Controller dan Open loop
Pengujian tersebut diambil pada saat kecepatan angin maksimal, terlihat bahwa dengan PI controller output
hasil pengukuran dapat terlihat lebih cepat.
Pengujian PI controler juga bisa dilakukan menggunakan matlab untuk mendapatkan nilai Kp dan
Ki yang sesuai bisa menggunakan metode direct syntesis atau metode trial and error. Langkah yang
pertama dilakukan adalah menentukan model dari plant. Kemudian menentukan nilai Kp dan Ki yang sesuai
untuk mendapatkan hasil yang yang diinginkan. Hasilnya terlihat pada gambar berikut ini.
Respon PI controller
1.4
tanpa controller
PI controller
1.2
vout (volt)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
t (second)
Gambar 6 Respon PI controller dengan Matlab
Gp =
1
20 s + 1 .
Model plant pada system diatas dapat didekati dengan bentuk orde satu yaitu
persamaan ini merupakan tranfer funsi dari system ini. Dengan metode direct sintesis diperoleh nilai Kp= 20/19 dan parameter Ki=1/20.
C. Mechanism Adjustment
Pengujian rangkaian ini dilakukan dengan memberikan perbedaan temperature pada sensor kedua.
Rangkaian mechanism adjustmen dapat bekerja dengan baik dalam mengeliminasi pengaruh perubahan
temperature lingkungan
Gambar 7 Pengaruh temperature lingkungan tanpa adaptasi (tidak menggunakan mechanism adjustment)
Gambar 8 Pengaruh temperature lingkungan dengan adaptasi (menggunakan mechanism adjustment)
D. Pengujian pengukuran kecepatan angin
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui persentase error dari alat yang telah dibuat. Dari tabel
terlihat nilai error relatif kecil dari hasil pengukuran
Tabel 1 Hasil pengukuran
p
m mengeliminasi pengaruh
han tem
peratur
bar 7
Pen
garuh
temp
ure li
ngkun
gan t
anpa
adapt
(tidak
meng
gunak
an me
chani
djustm
ent)
Gam
bar 8
Pen
h temp
eratu
re li
ngkun
gan d
n adap
tasi
(meng
gunak
an me
ism ad
justm
ent)
Peng ·
ujian
gukura ·
n kec
epata ·
n ang ·
inP
jian i
ni di
lakuk
an un
tuk m
tahui
perse
ntase
erro
r dar
at yan
g tel
ah di
buat.
Dari
el ter
lihat
nila
i err
or re
f keci
l dar
i has
il pe
nguku
Tabel
1 Ha
sil p
enguk
uran
Gam
·
·
e lingk
Hasil Penguku
ran (m/s) ? ? ? ? Hitung Ukur 1 Ukur 2 ? ? ? 790 2.06 1.87 1.89 8.76 ? ? 1,0
2.91 0.63 ? ? 1,238 3.23 2.96 3.46 0.66 ? ? 1,627 4.25 3.49 5.30 3.53 ? ? 1
,968 5.14 5.14 5.56 4.16 ? ? 2,205 5.76 6.27 6.32 5.38 ? ? 2,321 6.06 6.23 6.24 2.95 ?
8 6.34 6.46 6.58 2.91 ? ? 2,499 6.52 6.67 6.68 2.36 ? ? 2,554 6.67 6.78 6.88 2.46 ?
6.88 2.02 ? ? 2,612 6.8
2 6.88 6.90 1.09 ? ? 2,627 6.86 6.88 6.90 0.49 ? ? 2,645 6.90 6.91 6.95 0.40 ?
VI. Kesimp
nSetelah melakukan tahap perancangan dan pe
mbuatan sistem yang kemudian dilanjutkan dengan tahap pengujian dan anal
isa maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.1.
Sensor LM35 dapat berfungsi sebagai veloc
ity sensor untuk mengukur kecepatan angin dengan linearitas yang baik dan dapat meningkatkan batas u
kur sampai 6,90 m/
s, tetapi memiliki ri
s
e time dan fall time yang lambat. 2.
Respon time hasil pengukuran dapat ditingkatkan dengan
menggunakan PI controller hasilnya mendekati hasil pengukuran yang sebenarnya.3. Sumber angi
[2] Astrom K. J ,”Teory An Aplications Of Adaptive Control “, 1993
[3] Bejo Agus, C & AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroller ATMega 8535,
Yogyakarta: Graha Ilmu, 2008.
[4] Harianto Arif,” Aplikasi Diode Sebagai Sensor Pada Alat Ukur Kecepatan Angin Type Thermal,
Tugas akhir Jurusan Elektronika, PENS-ITS, 2005.
[5] Ogata Katsuhiko ,”Teknik Kontrol Automatik “, Jakarta, Erlangga, 1994
[6] Paul Malvino Albert, Prinsip-Prinsip Elektronika , Bandung: Erlangga, 2004.
[7] Shimada Yoshihito, ”Design Of Air Flowmeter Using Thermal Diode”, Transistor Technique Megazine,
May 2003
[8] www.wikipedia.org/wiki/anemometer
[9] www.konversi.com/kecepatan/hertz
[10] www.w3.org/TR
[11] www.e-dukasi.net
Fly UP